Estrutura da membrana plasmática
AP.BIO: ENE‑2 (EU), ENE‑2.A (LO), ENE‑2.A.1 (EK), ENE‑2.A.2 (EK), ENE‑2.B (LO), ENE‑2.B.1 (EK)
O modelo de mosaico fluido da membrana de plasma. Os componentes proteicos, lipídicos e carboidratos da membrana.
Introdução
Cada célula de seu corpo está envolta em uma minúscula bolha de membrana. Esta membrana tem a ver com a consistência de… óleo de salada. A primeira vez que li esse factoid, não achei isso muito tranquilizador! O óleo de salada parece uma fronteira terrivelmente frágil a ser colocada entre uma célula e o resto do mundo. Felizmente, a membrana de plasma se revela muito bem adaptada ao seu trabalho, à textura do óleo de salada e tudo mais.
Qual é exatamente a sua função? A membrana de plasma não apenas define as fronteiras da célula, mas também permite que a célula interaja com seu ambiente de forma controlada. As células devem ser capazes de excluir, absorver e excretar várias substâncias, tudo em quantidades específicas. Além disso, devem ser capazes de se comunicar com outras células, identificando-se e compartilhando informações.
Para desempenhar estas funções, a membrana plasmática necessita de lipídios, que fazem uma barreira semipermeável entre a célula e seu ambiente. Ela também precisa de proteínas, que estão envolvidas no transporte transversal da membrana e na comunicação celular, e carboidratos (açúcares e cadeias de açúcar), que decoram tanto as proteínas quanto os lipídios e ajudam as células a se reconhecerem umas às outras.
Aqui, analisaremos mais de perto os diferentes componentes da membrana plasmática, examinando seus papéis, sua diversidade e como eles trabalham juntos para fazer uma fronteira flexível, sensível e segura ao redor da célula.
Modelo de mosaico fluido
O modelo atualmente aceito para a estrutura da membrana de plasma, chamado modelo de mosaico fluido, foi proposto pela primeira vez em 1972. Este modelo evoluiu com o tempo, mas ainda fornece uma boa descrição básica da estrutura e do comportamento das membranas em muitas células.
De acordo com o modelo de mosaico fluido, a membrana plasmática é um mosaico de componentes – principalmente fosfolípidos, colesterol e proteínas – que se movimentam livre e fluidamente no plano da membrana. Em outras palavras, um diagrama da membrana (como o abaixo) é apenas um instantâneo de um processo dinâmico no qual os fosfolipídios e as proteínas estão continuamente deslizando uns para os outros.
Curiosamente, esta fluidez significa que se você inserir uma agulha muito fina em uma célula, a membrana simplesmente se partirá para fluir ao redor da agulha; uma vez que a agulha for removida, a membrana voltará a fluir sem problemas.
Os principais componentes da membrana plasmática são lipídios (fosfolipídios e colesterol), proteínas e grupos de carboidratos que estão ligados a alguns dos lipídios e proteínas.
- Um fosfolipídeo é um lipídeo feito de glicerol, duas caudas de ácidos graxos e um grupo de cabeças ligadas a fosfato. As membranas biológicas geralmente envolvem duas camadas de fosfolipídios com suas caudas apontando para dentro, um arranjo chamado bocal fosfolipídico.
- O colesterol, outro lipídio composto de quatro anéis de carbono fundidos, é encontrado junto com os fosfolipídios no núcleo da membrana.
- As proteínas da membrana podem se estender parcialmente para dentro da membrana plasmática, atravessar a membrana por completo, ou ser fixadas frouxamente a sua face interna ou externa.
- Os grupos de carboidratos estão presentes apenas na superfície externa da membrana plasmática e estão ligados a proteínas, formando glicoproteínas, ou lipídios, formando glicolipídios.
As proporções de proteínas, lipídios e carboidratos na membrana plasmática variam entre os diferentes tipos de células. Para uma célula humana típica, entretanto, as proteínas representam cerca de 50% da composição por massa, os lipídios (de todos os tipos) representam cerca de 40%, e os 10% restantes provêm dos carboidratos.
Fosfolípidos
Os fosfolípidos, dispostos em um bico, compõem o tecido básico da membrana de plasma. Eles são bem adequados para este papel porque são amphipáticos, ou seja, têm regiões hidrofílicas e hidrofóbicas.
A parte hidrofílica, ou “amante da água”, de um fosfolipídeo é sua cabeça, que contém um grupo de fosfato carregado negativamente, bem como um pequeno grupo adicional (de identidade variável, “R” no diagrama à esquerda), que também pode ou ser carregado ou polar. As cabeças hidrofílicas de fosfolipídios em um bocal de membrana estão voltadas para fora, entrando em contato com o fluido aquoso (aquoso) tanto dentro como fora da célula. Como a água é uma molécula polar, ela facilmente forma interações eletrostáticas (baseadas em carga) com as cabeças fosfolipídicas.
A parte hidrofóbica, ou “temente à água”, de um fosfolipídeo consiste de seus longos rabos de ácidos graxos não polares. As caudas de ácido graxo podem interagir facilmente com outras moléculas não-polares, mas interagem mal com a água. Por causa disso, é energeticamente mais favorável para os fosfolipídios esconderem suas caudas de ácidos graxos no interior da membrana, onde estão protegidos da água ao redor. O bocal fosfolipídeo formado por estas interações faz uma boa barreira entre o interior e o exterior da célula, porque a água e outras substâncias polares ou carregadas não podem atravessar facilmente o núcleo hidrofóbico da membrana.
Graças à sua natureza anfíbia, os fosfolípidos não são apenas adequados para formar um bocal de membrana. Ao invés disso, isto é algo que eles farão espontaneamente sob as condições certas! Em água ou solução aquosa, os fosfolipídios tendem a se organizar com suas caudas hidrofóbicas voltadas uma para a outra e suas cabeças hidrofílicas voltadas para fora. Se os fosfolípidos tiverem caudas pequenas, eles podem formar uma micela (uma esfera pequena, de camada única), enquanto que se tiverem caudas mais volumosas, eles podem formar um lipossoma (uma gota oca de membrana de bico).
Proteínas
As proteínas são o segundo componente principal das membranas de plasma. Há duas categorias principais de proteínas de membrana: integral e periférica.
As proteínas integrais da membrana estão, como seu nome sugere, integradas à membrana: elas têm pelo menos uma região hidrofóbica que as ancora ao núcleo hidrofóbico do bocal fosfolípido. Algumas aderem apenas parcialmente à membrana, enquanto outras se estendem de um lado da membrana para o outro e ficam expostas de um lado e de outro.
As proteínas que se estendem por toda a membrana são chamadas de proteínas transmembrana.
As porções de uma proteína de membrana integral encontradas no interior da membrana são hidrofóbicas, enquanto as que são expostas ao citoplasma ou fluido extracelular tendem a ser hidrofílicas. As proteínas transmembranas podem atravessar a membrana apenas uma vez, ou podem ter até doze seções diferentes de membranas. Um segmento típico de membranas consiste de 20-25 aminoácidos hidrofóbicos dispostos em uma hélice alfa, embora nem todas as proteínas transmembranas se encaixem neste modelo. Algumas proteínas de membrana integral formam um canal que permite a passagem de íons ou outras pequenas moléculas, como mostrado abaixo.
As proteínas periféricas das membranas são encontradas nas superfícies externas e internas das membranas, fixadas a proteínas integrais ou a fosfolípidos. Ao contrário das proteínas de membrana integral, as proteínas de membrana periférica não aderem ao núcleo hidrofóbico da membrana, e tendem a ser mais soltas.
Carboidratos
Os carboidratos são o terceiro componente principal das membranas de plasma. Em geral, eles são encontrados na superfície externa das células e são ligados a proteínas (formando glicoproteínas) ou a lipídios (formando glicolipídios). Estas cadeias de carboidratos podem consistir de unidades de monossacarídeo 2-60 e podem ser retas ou ramificadas.
Junto com as proteínas de membrana, estes carboidratos formam marcadores celulares distintos, como crachás de identificação molecular, que permitem que as células se reconheçam umas às outras. Estes marcadores são muito importantes no sistema imunológico, permitindo que as células imunes diferenciem entre as células do corpo, que não devem atacar, e as células ou tecidos estranhos, que devem atacar.
Fluidez da membrana
A estrutura dos rabos de ácido graxo dos fosfolipídios é importante para determinar as propriedades da membrana e, em particular, como ela é fluida.
Os ácidos graxos saturados não têm ligações duplas (estão saturados com hidrogênios), portanto são relativamente retos. Os ácidos graxos insaturados, por outro lado, contêm uma ou mais ligações duplas, resultando muitas vezes em uma dobra ou dobra. (Você pode ver um exemplo de uma cauda dobrada e insaturada no diagrama da estrutura fosfolipídica que aparece anteriormente neste artigo). As caudas saturadas e insaturadas de ácido graxo dos fosfolipídios se comportam de forma diferente à medida que a temperatura cai:
- Em temperaturas mais frias, os rabos retos de ácidos graxos saturados podem se empacotar bem juntos, formando uma membrana densa e bastante rígida.
- Os fosfolipídios com rabos de ácidos graxos insaturados não podem se empacotar tão bem por causa da estrutura dobrada dos rabos. Devido a isso, uma membrana contendo fosfolipídios insaturados permanecerá fluida a temperaturas mais baixas do que uma membrana feita de fosfolipídios saturados.
A maioria das membranas celulares contém uma mistura de fosfolipídeos, alguns com duas caudas saturadas (retas) e outros com uma cauda saturada e outra não saturada (dobrada). Muitos organismos – os peixes são um exemplo – podem se ajustar fisiologicamente a ambientes frios alterando a proporção de ácidos graxos insaturados em suas membranas. Para mais informações sobre ácidos graxos saturados e insaturados, veja o artigo sobre lipídios.
Além dos fosfolípidos, os animais têm um componente de membrana adicional que ajuda a manter a fluidez. O colesterol, outro tipo de lipídio que está embutido entre os fosfolipídios da membrana, ajuda a minimizar os efeitos da temperatura sobre a fluidez.
A baixas temperaturas, o colesterol aumenta a fluidez, impedindo que os fosfolipídios sejam empacotados juntos, enquanto que a altas temperaturas, na verdade, ele reduz a fluidez.
Desta forma, o colesterol expande a gama de temperaturas nas quais uma membrana mantém uma fluidez funcional e saudável.
Os componentes da membrana de plasma
| Componente | Localização |
|---|---|
| Fosfolipídios | Tecido principal da membrana |
| Colesterol | Situado entre as caudas hidrofóbicas dos fosfolipídios da membrana |
| Proteínas integrais | Incorporado na bicamada fosfolipídica; pode ou não se estender por ambas as camadas |
| Proteínas periféricas | Na superfície interna ou externa da bicamada fosfolipídica, mas não embutida em seu núcleo hidrofóbico |
| Carboidratos | Ligado a proteínas ou lipídios no lado extracelular da membrana (formando glicoproteínas e glicolipídios) |
Tabela modificada de OpenStax Biology.
Referências
Khanacademy.org | Structure of the plasma membrane
This article is a modified derivative of “Components and structure,” by OpenStax Biology (CC-BY 3.0). Download the original article for free at http://cnx.org/contents/[email protected]:23/Biology.The modified article is licensed under a CC BY-NC-SA 4.0 license.
Works cited:
- Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). Membrane structure and function. In Campbell biology (10th ed., p. 127). San Francisco, CA: Pearson.
- Structural biochemistry/lipids/micelles. (2015, 16 April). Retrieved August 19, 2015 from Wikibooks: https://en.wikibooks.org/wiki/Structural_Biochemistry/Lipids/Micelles.
- Membrane fluidity. (2016, July 5). Retrieved July 20, 2016 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Membrane_fluidity.
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Additional references:
Amphiphile. (2015, May 4). Retrieved August 19, 2015 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Amphiphile.Fluid mosaic model. (2015, June 27). Retrieved August 19, 2015 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Fluid_mosaic_model.Membrane fluidity. (2016, July 5). Retrieved July 20, 2016 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Membrane_fluidity.Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). Membrane structure and function. In Campbell biology (10th ed., pp. 124-140). San Francisco, CA: Pearson.Structural biochemistry/lipids/micelles. (2015, 16 April). Retrieved August 19, 2015 from Wikibooks: https://en.wikibooks.org/wiki/Structural_Biochemistry/Lipids/Micelles.